(57)【要約】  ガラス板の表面と中心部との間により大きい温度差を生じさせるガラス板の強化方法を提供する。  本発明のガラス板の強化方法は、ガラス板の軟化点近くの温度まで前記ガラス板を加熱する加熱工程と、加熱された前記ガラス板の板厚方向の両方の表面に冷却媒体を吹き付けて冷却する急冷工程と加熱工程と急冷工程との間の急冷前工程とを備え、少なくとも前記急冷工程中にガラス板の板厚方向中心部近傍を表面に対して選択的に加熱する内部加熱副工程をさらに備え、前記ガラス板の板厚方向の中心部の温度が強化点近傍のとき、前記ガラス板の板厚方向の表面の温度が徐冷点以下である状態を生じさせる。
2011122678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟化点以下かつ徐冷点以上の表面温度にあるガラス板に冷却媒体を吹き付けて急冷することにより強化されたガラス板を製造する方法であって、
ガラス板全体の温度が歪点以下となるよりも前の段階において、ガラス板の板厚方向中心部近傍を表面に対して選択的に加熱しながら急冷することを特徴とするガラス板の強化方法。
【請求項２】
軟化点以下かつ（強化点より低い強化点近傍）以上の温度域にあるガラス板を加熱炉から取り出してから冷却媒体の吹き付けを開始するまでの間に前記選択的加熱を開始し、冷却媒体の吹き付け開始後に前記選択的加熱を終了する、請求項１に記載のガラス板の強化方法。
【請求項３】
冷却媒体の吹き付け開始時点またはその後に前記選択的加熱を開始する、請求項１に記載のガラス板の強化方法。
【請求項４】
ガラス板の軟化点近くの温度まで前記ガラス板を予め加熱する加熱工程と、
加熱された前記ガラス板の板厚方向の両方の表面に冷却媒体を吹き付けて急冷する急冷工程と、前記加熱工程と前記急冷工程との間の急冷前工程とを備え、
少なくとも前記急冷工程中にガラス板の板厚方向中心部近傍を表面に対して選択的に加熱する内部加熱副工程をさらに備え、
前記内部加熱副工程の開始時点を前記急冷前工程の途中から前記急冷工程の途中までの間に設け、前記内部加熱副工程の終了時点を前記急冷工程の途中に設けることにより、
前記急冷工程において前記ガラス板の板厚方向中心部近傍の温度が強化点近傍のとき、前記ガラス板の板厚方向の表面の温度が徐冷点以下である状態を生じさせる、
ガラス板の強化方法。
【請求項５】
前記ガラス板の板厚方向中心部近傍の温度が強化点近傍のとき、前記ガラス板の板厚方向中心部近傍の温度と表面の温度の差が１００℃以上である、請求項４に記載のガラス板の強化方法。
【請求項６】
前記ガラス板の板厚方向中心部近傍の温度が強化点近傍のとき、前記ガラス板の板厚方向の表面の温度が歪点−２０℃以下である、請求項４または５に記載のガラス板の強化方法。
【請求項７】
前記内部加熱副工程において、内部加熱副工程開始時点のガラス板の板厚方向中心部近傍の温度が、該内部加熱副工程におけるガラス板の最高温度である、請求項４〜６のいずれかに記載のガラス板の強化方法。
【請求項８】
ガラス板の軟化点近くの温度まで前記ガラス板を予め加熱する加熱工程と、
加熱された前記ガラス板の板厚方向の両方の表面に冷却媒体を吹き付けて急冷する急冷工程と、前記加熱工程と前記急冷工程との間の急冷前工程とを備え、
少なくとも前記急冷工程中にガラス板の板厚方向中心部近傍を表面に対して選択的に加熱する内部加熱副工程をさらに備え、
前記急冷前工程以降において、
前記ガラス板の板厚方向の中心部の温度をｘ℃とし、前記ガラス板の板厚方向の両方の表面うちいずれかの面の温度をｙ℃としたとき、
前記ガラス板の板厚方向の中心部の温度が６２０℃以上７００℃以下であるときに、
ｘとｙとが一次式ｙ＝ａｘ＋ｂ（ａおよびｂは定数）を満たす関係にあり、且つ前記一次式における定数ａが０．５以上０．６５以下であり、さらに前記一次式における定数ｂが６０以上１８０以下である状態を生じさせる、ガラス板の強化方法。
【請求項９】
前記ガラス板は、ソーダライムガラスからなり、
前記内部加熱副工程において、高周波を前記ガラス板に印加して前記ガラス板を高周波加熱する、請求項１〜８のいずれかに記載のガラス板の強化方法。
【請求項１０】
前記ガラス板は、金属イオンを含有するガラス板であって、
前記内部加熱副工程において、短波長赤外線を用いて前記ガラス板を加熱する、請求項１〜８のいずれかに記載のガラス板の強化方法。
【請求項１１】
加熱したガラス板を冷却して強化するガラス板の強化装置において、
前記強化装置は、
前記ガラス板をその板厚方向の両方の表面に冷却媒体を吹き付けて前記ガラス板を急冷する急冷手段と
急冷中の前記ガラス板の板厚方向中心部近傍を表面に対して選択的に加熱する内部加熱手段と、
前記ガラス板を搬送する搬送手段と、
を備え、
前記急冷手段は、少なくとも
先端に開口が設けられた複数のノズルを有し、前記開口を前記両方の表面に向けて配置されたノズル部と、
前記ノズル部の前記開口から前記冷却媒体を排出させる排出手段と、
を備え、
前記内部加熱手段は、少なくとも
前記ガラス板に高周波電圧を印加して前記ガラス板を加熱するための電極部と、
前記電極部に高周波電圧を印加させるための電源部と、
を備え、
前記電極部と、前記ノズル部及び前記搬送手段とは電気的に絶縁されている、ガラス板の強化装置。
【請求項１２】
少なくとも前記ノズル部は、絶縁体によって形成され、
前記搬送手段は、前記ガラス板の表面の少なくとも一部に接触して前記ガラス板を支持し、少なくとも前記ガラス板との接触部分が絶縁体からなる支持体を有する、請求項１１に記載のガラス板の強化装置。
【請求項１３】
前記ノズル部の複数の開口のうち少なくとも１の開口は、前記複数の開口のうち他の開口に対して、前記搬送方向に沿う方向に離間して配置され、
前記複数の開口を前記搬送方向から見たときに、隣接する開口が互いに重ならない位置に配置されている、請求項１１または１２に記載のガラス板の強化装置。
【請求項１４】
前記電極において、前記ガラス板の搬送方向に対して直交する方向に複数設けられた給電部と、
前記電源部に接続されると共に、前記給電部のそれぞれに接続された電極配線と、
を有し、
前記電極配線は、前記電源部から前記給電部までの距離が略等距離となるように形成されている、請求項１１〜１３のいずれかに記載のガラス板の強化装置。
【請求項１５】
前記電極部に対して最も近接して配置された導体と前記電極部との間の距離は、前記電極間の距離よりも長い、請求項１１〜１４のいずれかに記載のガラス板の強化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス板の強化方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガラス板を軟化点近くの温度まで加熱し、軟化点近くまで加熱されたガラス板の表面を急激に冷却することによって、ガラス板の強度を高めることが知られている。ガラス板は、厚さ方向の中心部とガラス板の表面との間の温度差を大きくすることでガラス板の表面により大きな圧縮応力を生じさせることができる。そのため、ガラス板の強度を高めたり、破損した時の破片（細片）を制御したりするためには、ガラス板の中心部と表面との温度差を大きくすることが有効である。
また、ガラス板の中心部と表面との温度差を大きくする手段として、特許文献１に記載された発明には、無線周波エネルギーを用いてガラス板を加熱する方法が開示されている。特許文献１には、ガラス板が間に配置されるように対になって設けられた供給電極及び受動電極によって、無線周波エネルギーを用いてガラス板を加熱するのと同時にガラス板の表面を冷却してガラス板の中心部と表面との温度差を大きくし、その後に急冷して強化ガラス板を製造する方法及び装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００６−５００３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のガラス板の強化では、より高温まで加熱したガラス板を高い冷却能力で急冷して強化を行い、強化されたガラス板の強度等の物性を向上させていた。しかし、ガラス板の温度を上げると、ガラス表面に傷がついたり、歪みが入りやすくなったりする。また、空気などの気体を冷却媒体として用いて冷却能力を高めるには、冷却媒体の圧力又は風量を上げる必要があり、冷却初期の引っ張り応力によってガラス板が割れやすくなったり、装置が非常に大掛かりになったりするという問題がある。さらに、冷却媒体の圧力や風量を高めた冷却装置は、騒音が大きくなるなどの問題も生じる。
前記特許文献１記載の強化方法は、急冷前にガラス板を内部加熱して内部温度と表面温度との差を拡大し、その後に急冷して強化することにより、急冷中のガラス板のガラス板の中心部と表面との温度差を大きくして強化する方法である。前記特許文献１には、急冷前のガラス板の内部を選択的に加熱する方法として無線周波エネルギーによる誘電加熱（以下、「高周波加熱」と称する。）が使用されている。また、高周波加熱によりガラス板内部を加熱するとともに表面を冷却することにより、内部温度と表面温度の差をより大きくすることが記載されている。
しかし、特許文献１に記載の強化方法は、急冷前にガラス板の内部温度と表面温度の差を生じさせる工程を必要とし、従来の加熱工程と急冷工程とからなる強化方法と比較して装置が煩雑となる。【０００５】
また、高周波加熱を用いてガラス板の内部を加熱するために電極をガラス板に近づけて高周波加熱の効率を高めることも考えられる。しかし、高周波加熱用の電極をガラス板に近付けすぎると、電極周辺で放電が生じてしまう。すなわち、高周波加熱を行うための電極に高周波電圧を印加すると、ガラス板自体も電位を持つため、例えば、引用文献１の態様においては、電極間の電位より電位の低い点との間で放電が発生する。
従って、特許文献１に記載のシステムでは、ガラス板を無線周波エネルギーで加熱するときに、例えば空気を吹き付けるためのノズルと電極との間や、ガラス板やガラス板を搬送するロールと電極との間などで放電が起こる可能性がある。放電が生じると、高周波加熱が行えなくなるため、印加できる高周波電圧の上限が放電を起こさない値に制限される。その結果、必要な加熱能力を確保することが困難となるという問題がある。【０００６】
本発明は、ガラス板の表面と中心部との間により大きい温度差を生じさせることができるガラス板の強化方法を提供する。
また、本発明は上述の方法を達成するため、ガラス板内部からの発熱を用いてより効率的に所望の温度に制御できるガラス板の強化装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明のガラス板の強化方法は、軟化点以下かつ徐冷点以上の表面温度にあるガラス板に冷却媒体を吹き付けて急冷することにより強化されたガラス板を製造する方法であって、ガラス板全体の温度が歪点以下となるよりも前の段階において、ガラス板の板厚方向中心部近傍を表面に対して選択的に加熱しながら急冷する。
前記強化方法は、軟化点以下かつ（強化点より低い強化点近傍）以上の温度域にあるガラス板を加熱炉から取り出してから冷却媒体の吹き付けを開始するまでの間に前記選択的加熱を開始し、冷却媒体の吹き付け開始後に前記選択的加熱を終了してもよい。
前記冷却媒体の吹き付け開始時点またはその後に前記選択的加熱を開始してもよい。【０００８】
本発明の他のガラス板の強化方法は、ガラス板の軟化点近くの温度まで前記ガラス板を予め加熱する加熱工程と、加熱された前記ガラス板の板厚方向の両方の表面に冷却媒体を吹き付けて急冷する急冷工程と、前記加熱工程と前記急冷工程との間の急冷前工程とを備え、少なくとも前記急冷工程中にガラス板の板厚方向中心部近傍を表面に対して選択的に加熱する内部加熱副工程をさらに備え、前記内部加熱副工程の開始時点を前記急冷前工程の途中から前記急冷工程の途中までの間に設け、前記内部加熱副工程の終了時点を前記急冷工程の途中に設けることにより、前記急冷工程において前記ガラス板の板厚方向中心部近傍の温度が強化点近傍のとき、前記ガラス板の板厚方向の表面の温度が徐冷点以下である状態を生じさせる。
また、前記内部加熱副工程において、内部加熱副工程開始時のガラス板の前記ガラス板の板厚方向の中心部の温度及び表面の温度は必ずしも上昇する必要はなく、開始時より維持される又は低下してもよい。【０００９】
前記ガラス板の板厚方向の中心部の温度が強化点近傍のとき、前記ガラス板の板厚方向の中心部の温度と表面の温度の差が１００℃以上であってもよい。
前記ガラス板の板厚方向の中心部の温度が強化点近傍のとき、前記ガラス板の板厚方向の表面の温度が歪点−２０℃以下であってもよい。
前記内部加熱副工程において、内部加熱副工程開始時点のガラス板の板厚方向中心部近傍の温度が、該内部加熱副工程におけるガラス板の最高温度であってもよい。【００１０】
本発明の他のガラス板の強化方法は、ガラス板の軟化点近くの温度まで前記ガラス板を予め加熱する加熱工程と、加熱された前記ガラス板の板厚方向の両方の表面に冷却媒体を吹き付けて急冷する急冷工程と、前記加熱工程と前記急冷工程との間の急冷前工程とを備え、少なくとも前記急冷工程中にガラス板の板厚方向中心部近傍を表面に対して選択的に加熱する内部加熱副工程をさらに備え、
前記ガラス板の板厚方向の中心部の温度をｘ℃とし、前記ガラス板の板厚方向の両方の表面うちいずれかの面の温度をｙ℃としたとき、前記ガラス板の板厚方向の中心部の温度が６２０℃以上７００℃以下であるときに、ｘとｙとが一次式ｙ＝ａｘ＋ｂ（ａ及びｂは定数）を満たす関係にあり、且つ前記一次式における定数ａが０．５以上０．６５以下であり、さらに前記一次式における定数ｂが６０以上１８０以下である状態を生じさせる。【００１１】
前記ガラス板は、ソーダライムガラスからなり、前記加熱工程において、高周波を前記ガラス板に印加して前記ガラス板を高周波加熱してもよい。
前記ガラス板は、金属イオンを含有するガラス板であって、前記加熱工程において、短波長赤外線を用いて前記ガラス板を加熱してもよい。【００１２】
本発明のガラス板の強化装置は、加熱したガラス板を冷却して強化するガラス板の強化装置において、前記強化装置は、前記ガラス板をその板厚方向の両方の表面に冷却媒体を吹き付けて前記ガラス板を急冷する急冷手段と急冷中の前記ガラス板の板厚方向中心部近傍を表面に対して選択的に加熱する内部加熱手段と、前記ガラス板を搬送する搬送手段と、を備え、前記急冷手段は、少なくとも先端に開口が設けられた複数のノズルを有し、前記開口を前記両方の表面に向けて配置されたノズル部と、前記ノズル部の前記開口から前記冷却媒体を排出させる排出手段と、を備え、前記内部加熱手段は、少なくとも前記ガラス板に高周波電圧を印加して前記ガラス板を加熱するための電極部と、前記電極部に高周波電圧を印加させるための電源部と、を備え、前記電極部と、前記ノズル部及び前記搬送手段とは電気的に絶縁されている。【００１３】
少なくとも前記ノズル部は、絶縁体によって形成され、前記搬送手段は、前記ガラス板の表面の少なくとも一部に接触して前記ガラス板を支持し、少なくとも前記ガラス板との接触部分が絶縁体からなる支持体を有してもよい。
また、前記開口のうち少なくとも１の開口は、前記複数の開口のうち他の開口に対して、前記搬送方向に沿う方向に離間して配置され、前記複数の開口を前記搬送方向から見たときに、隣接する開口が互いに重ならない位置に配置されてもよい。【００１４】
さらに、前記電極において、前記ガラス板の搬送方向に対して直交する方向に複数設けられた給電部と、前記電源部に接続されると共に、前記給電部のそれぞれに接続された電極配線と、を有し、前記電極配線は、前記電源部から前記給電部までの距離が略等距離となるように形成されてもよい。
また、前記電極部に対して最も近接して配置された導体と前記電極部との間の距離は、前記電極間の距離よりも長くてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のガラス板の強化方法によれば、ガラス板の表面と中心部との間により大きい温度差を生じさせることができる。また、本発明のガラス板の強化装置によれば、ガラス板自体の内部からの発熱を用いてより効率的に所望の温度まで加熱できる。よって本発明により、これまでは難しかった板厚の薄いガラス板や熱伝導率の高いガラス板を強化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態のガラス板の強化装置のガラス板の搬送方向に沿った断面を示す縦断面模式図である。
【図２】（Ａ）は図１のＡ−Ａ線における横断面模式図、（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ線における横断面模式図である。
【図３】図１のＣ−Ｃ線における縦断面模式図である。
【図４】同強化装置の一部の構成を示す斜視図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、同強化装置の使用時の動作及び冷却媒体の流れを示す模式図である。
【００１７】
【図６】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、及び（Ｄ）は本発明のガラス板の強化方法においてガラス板に生じる応力を説明するための模式図である。
【図７】本実施形態のガラス板の強化方法を説明するための工程説明図である。
【図８】本発明の他の態様の強化方法を示した工程説明図である。
【図９】本発明の他の態様の強化方法を示した工程説明図である。
【図１０】ガラス板を強化するために最適な温度の関係を示すグラフである。
【図１１】シミュレーションの手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明において加熱とは、加熱対象物（ガラス板）にエネルギーを加えることによる発熱全般をさすこととし、予めガラス板全体を軟化点付近まで加熱する加熱炉（余熱手段）や、急冷前工程や急冷工程における内部加熱手段による加熱も含む。同時に、本発明の加熱は、必ずしも加熱対象物の表面や内部の温度を上昇させることに限定されない。例えば、一定の温度まで加熱された加熱対象物が冷却される過程でエネルギーを印加した場合に、冷却能力とエネルギーを印加したことによる発熱のバランスで温度が上昇する場合も下降する場合も含みうる。その結果として加熱対象物の温度低下が抑制され温度をほぼ等温に維持されることや、温度低下の速度を小さくなることも加熱に含むものとする。
また、本発明において内部加熱とは、加熱対象物自体が発熱することによる前述の加熱全般を指すこととし、加熱対象物からの発熱であれば、発熱する部位はその内側に限定されずその表面からの発熱であっても内部加熱に含むものとする。
【００１９】
また、本発明において、ガラス板の板厚方向中心部近傍を表面に対して選択的に加熱する（以下内部加熱ともいう。）とは、ガラス板の厚さ方向の中心部とガラス板の表面との間の温度差を生じさせる、または、大きくすることを目的として板厚方向中心部近傍の温度が高くなるように高周波や短波長赤外線などの内部加熱手段等により、板厚方向中心部近傍を部分的及び／または高効率で加熱することをいう。
例えば、高周波加熱による誘電加熱を用いると、高温になるほど高効率で電磁波のエネルギーにより発熱する。ガラス板に高温の部分とそれに対し相対的に低温の部分とが存在すると、この誘電加熱により高温部分がより発熱し、高温部と低温部の温度差が拡大する。したがって、板厚方向中心部近傍（以下、単に内部ということもある。）が表面に対し相対的に高温であるガラス板を誘電加熱すると、内部と表面の温度差が拡大する。
なお、内部と表面がほぼ等しい状態にあるガラス板を誘電加熱するとガラス板全体が等しく加熱され、選択的な加熱とはならない。したがって、本発明において、内部を表面に対して選択的に加熱するとは、内部が表面よりも高温の状態にあるガラス板を誘電加熱することを意味する。
【００２０】
例えば、ソーダライムガラスからなる車両用安全ガラス用の通常の厚さ（１〜３．５ｍｍ）の場合、急冷を継続する時間は通常１分から３分程度である。この急冷において、本発明における高周波加熱を継続する時間は、装置の生産性等を考慮すると１〜１０秒程度が好ましく、２〜６秒がさらに好ましい。高周波加熱のエネルギーが低い場合にはこれよりも長時間となってもよい。
【００２１】
また、本発明において、ガラス板の板厚方向中心部近傍とは選択的に加熱される部分をいう。冷却中のガラス板の２つの主表面の温度が等しい場合、板厚方向の幾何学的中心部分が最も高温である。２つの主表面の温度が異なる場合、最も高温の部分は板厚方向の幾何学的中心より高温側表面に近い部分が最も高温である。本発明における板厚方向中心部近傍とは板厚方向で最も高温の部分をいい、上記のように板厚方向の幾何学的中心とは異なる場合がある。
【００２２】
また、本発明において急冷とは前述の能動的な冷却手段を用いて、少なくとも放冷以上の冷却速度で予め所望の温度まで加熱されたガラス板を強化するために、冷却媒体をガラス板表面に吹き付けて急速に冷却することをいう。具体的には、加熱されたガラス板の表面に、例えば、ブロアや高圧気体による空冷、液冷、ミスト冷却、接触式の冷却等の能動的な冷却手段を用いて冷却対象物のガラス板の表面から急速に熱を除去することをいう。ガラス板の強化のために必要な冷却能は、ソーダライムガラスからなる通常の厚さ（１〜３．５ｍｍ）の場合、通常３００〜５００kcal／m2／hr／℃の冷却能を有する冷却手段が使用されている。その内でも、厚さが薄いガラス板ほど高い冷却能が必要である。また、厚さがさらに薄いガラス板や熱伝導率の高いガラスからなるガラス板の強化には、さらに高い冷却能を必要とすることがある。
【００２３】
一方、本明細書において、急冷よりも低い冷却速度でガラス板を冷却することを放冷という。例えば、高温のガラス板をガラス板の温度よりも低い温度の雰囲気においた場合にガラス板の温度が徐々に低下していく現象をいう。具体的には、例えば、加熱手段のない搬送装置上などでガラス板が搬送、待機されることによる温度低下などの不可避で受動的な温度低下などをいう。さらに、本発明において、放冷とは、上記急冷の場合と同様に冷却媒体をガラス板表面に吹き付けるなどの能動的手段で、急冷よりも遅い冷却速度で冷却することも意味する。能動的手段で放冷する場合、ガラス板を冷却する冷却能は上記急冷と比較して低い冷却能をもって冷却する。
また、本発明において冷却とは、前述の急冷や放冷も含めて従来のガラス板の強化方法における公知の冷却の方法や手段を包含するものとする。
【００２４】
また、本発明における急冷手段は、前述のように放冷以上の速度で急激に冷却対象の熱を除去することができる。また、急冷手段は、その冷却能力を小さく調節することで、急冷よりゆっくり熱を除去する通常の冷却や徐冷を行うための冷却手段として用いることも可能であり、急冷手段による冷却であっても急冷でない場合も含みうる。
【００２５】
以下、本発明の一実施形態のガラス板の強化装置１及びガラス板の強化方法の詳細について説明する。
まず、本実施形態のガラス板の強化装置（以下、単に「強化装置」と称する。）１について図１ないし図５を参照して説明する。図１は、強化装置１のガラス板の搬送方向に沿った断面を示す縦断面模式図である。図２（Ａ）は、図１のＡ−Ａ線における横断面模式図、図２（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ線における横断面模式図である。図３は、図１のＣ−Ｃ線における縦断面模式図である。図４は、強化装置１における一部の構成を示す斜視図である。図５（Ａ）及び図５（ｂ）は、強化装置１の使用時の動作及び冷却媒体の流れを示す模式図である。
説明のため、図１から図５においては、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定める。Ｘ軸はガラス板Ｇの搬送方向と平行な軸線、Ｙ軸は強化装置１の幅方向と平行な軸線、Ｚ軸は搬送されるガラス板Ｇの面に垂直な軸線である。
また、本発明においてガラス板の内部とは、ガラス板の板厚方向におけるガラス板の内側全体を指し、ガラス板の中心部とは、ガラス板の板厚方向における中心を含む一定の厚さのある領域を指す。また、このときの領域の厚さは後述の測定方法で測定可能な範囲とする。
また、本発明において、軟化点とは、ガラス板のｌｏｇηの値が７．６０［Ｌｏｇ  Ｐｏｉｓｅ］となる温度、強化点とは、ガラス板のｌｏｇηの値が９．４［Ｌｏｇ  Ｐｏｉｓｅ］となる温度、徐冷点とは、ガラス板のｌｏｇηの値が１３．０［Ｌｏｇ  Ｐｏｉｓｅ］となる温度、歪点とは、ガラス板のｌｏｇηの値が１４．５［Ｌｏｇ  Ｐｏｉｓｅ］となる温度を指すものとする。
また、搬送面とは、複数の搬送ロールの上面によって規定される面であり、搬送ロールと搬送されるガラス板Ｇの下面との接触点の群が形成する面と略一致する。
【００２６】
本実施形態の強化装置１は、加熱したガラス板Ｇを冷却して強化する。
図１に示すように、強化装置１は、ガラス板Ｇを搬送する搬送手段１０と、ガラス板Ｇを加熱する加熱手段１５と、加熱されたガラス板Ｇの板厚方向の両方の表面Ｇａに冷却媒体を吹き付けてガラス板Ｇを急冷する急冷手段４０とを備える。
【００２７】
搬送手段１０は、予め定められた搬送方向（本実施形態ではＸ軸方向）に向けてガラス板Ｇを搬送するものであり、ガラス板Ｇの表面Ｇａの少なくとも一部に接触してガラス板Ｇを支持する搬送ロール（支持体）１３を有する。搬送ロール１３は、図２（Ｂ）に示すように、中心軸線Ｏ１がＹ軸と平行（略平行を含む。以下同じ。）となるように、Ｘ軸方向に一定間隔おきに複数設けられている。
【００２８】
搬送ロール１３は、図２（Ｂ）に示すように、回転軸１３ａと、回転軸１３ａの外周を覆うように形成された表面部１３ｂとを有する。
回転軸１３ａの材料としては、例えば、スチール、ステンレス鋼、あるいはアルミニウム合金などを用いることができる。表面部１３ｂは、絶縁性を有する材料からなる。例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂やセラミックスなどを用いることができる。これにより、搬送ロール１３は後述する電極部２１と電気的に絶縁されている。
搬送ロール１３は、図示しない駆動モータに連結されており、所定の速度で回転することでガラス板ＧをＸ軸方向に搬送する。
【００２９】
加熱手段１５は、図１に示すように、加熱炉（予熱手段）１６と、高周波加熱手段２０とを備える。
加熱炉１６は、ガスや電気などをエネルギー源として自身の内部を加熱する公知の構成を有し、搬送ロール１３によって搬送されるガラス板Ｇを加熱する。
【００３０】
高周波加熱手段２０は、高周波加熱によりガラス板Ｇを加熱するものであり、電極部２１と、電源部３５とを備える。
電極部２１は、加熱炉１６からガラス板Ｇが搬出される引き出し口付近に配置されており、図３に示すように、ガラス板Ｇの板厚方向の一方の表面側に配置された供給電極２２と、ガラス板Ｇの板厚方向の他方の表面側に配置された受動電極２８とを備える。
【００３１】
供給電極２２は、図３に示すように、絶縁軸部２３と、電極支持部２４と、電極本体２５とを有する。
絶縁軸部２３は、絶縁性を有する材料、例えばアルミナを用いて円柱状に形成されている。絶縁軸部２３は、電極支持部２４に挿通されており、長手方向がＹ軸と平行となるように、電極を保持している。
【００３２】
電極支持部２４は、図４に示すように、導電性を有する材料で中空円筒状に形成されている。電極支持部２４の材料としては銅やステンレス鋼などを用いることができる。
電極支持部２４は、電源部３５の給電側と接続される給電部２４ａを有している。給電部２４ａは、電極支持部２４の外面に、Ｙ軸方向に所定の間隔をあけて２箇所配置されており、その位置は、電極支持部２４の長手方向の長さをＬとしたときに、電極支持部２４の両方の端部からＬ／４だけ中央側に設定されている。
【００３３】
電極本体２５は、板状の導電性部材であり、高周波電圧が印加される電極面２２ａを有する。電極本体２５は、図３に示すように、搬送ロール１３によって形成されるガラス板の搬送面に電極面２２ａが対向するように電極支持部２４に取り付けられている。
【００３４】
図１に示すように、供給電極２２は、電極配線２９によって電源部３５と接続されている。電極配線２９は、図３に示すように、給電部２４ａに取り付けられる分岐配線２９ａと、分岐配線と電極部３５とを接続する給電ケーブル２９ｂとからなる。
【００３５】
分岐配線３１は導電性の部材であり、図４に示すように、長手方向中央に設けられた供給点３１ａと、長手方向両端に形成された接続端子３１ｂとを有しており、各接続端子３１ｂは、電極支持部２４の各給電部２４ａに電気的に接続されている。供給点３１ａと各接続端子３１ｂとの距離は等しいため、電源部３５から各給電部２４ａまでの電気的距離は略等距離となっている。
【００３６】
受動電極２８の構造は、供給電極２２とほぼ同様であり、絶縁軸部２３、電極支持部２４、及び電極本体２５を有する。電極支持部２４は、電極配線２９によって電源部３５の受動側と接続されており、図示しないアース（接地手段）とも接続されている。なお、説明の便宜のため、以下の説明では受動電極２８の電極面を、電極面２８ａと称する。
受動電極２８は、図３に示すように、電極面２８ａが供給電極２２の電極面２２ａに正対する位置に配置されており、電極面２２ａと２８ａとの間でガラス板Ｇに高周波電圧が印加され、ガラス板Ｇが高周波加熱される。
【００３７】
図１に示すように、電源部３５は３つ設けられており、電極部２１のそれぞれと接続されている。このため、電極部２１はそれぞれが独立して電力を調整できる。
本実施形態では、電源部３５は、２７．１２ＭＨｚの高周波電圧を電極部２１へ印加するが、印加される高周波電圧の周波数はこれに限られるものではない。本発明における高周波電圧の周波数は、実用的な電極電圧や加熱されるガラス板の誘電体損失などに基づいて適宜定めることができるが、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚとすることが好ましく、１０〜５０ＭＨｚがさらに好ましい。この範囲であれば、日本国内で法令により工業的に使用できる周波数で実施できるとともに、周波数の高い電磁波に比べて電磁波の遮蔽が容易になり設備の安全性が高まり、設計や維持が容易かつ安価になる。高周波加熱における高周波電圧の周波数は、低ければ、低電極内の定在波長が長くなって均一な加熱に有利になり、周波数が高くなれば低い電圧で加熱することができ、放電し難くなる。
【００３８】
図１に示すように、急冷手段４０は、搬送されるガラス板Ｇの板厚方向両側に配置されており、チャンバーユニット（排出手段）４３と、ノズル部５０、６０とをそれぞれ複数備えている。本実施形態の急冷手段は、冷却媒体として空気を使用する。
チャンバーユニット４３は、Ｙ軸方向に延びた箱状の上部チャンバー４１と下部チャンバー４２とを有し、Ｘ方向に所定間隔をおいて列設されている。上部チャンバー４１は、上述の搬送面に対向する下面から搬送面に向かって延設されたノズル部５０を有する。下部チャンバー４２は、搬送面に対向する上面から搬送面に向かって延設されたノズル部６０を有する。
上部チャンバー４１と下部チャンバー４２は、図示しない空気排気手段によって内部に空気を蓄えることができる容器形状になっている（図３参照）。
上述の電極部２１は、上部チャンバー４１と下部チャンバー４２との間に配置されている。また、上述の搬送ロール１３は、隣接する下部チャンバー４２の間に配置されている。
【００３９】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、ノズル部５０、６０は、筒状に形成された複数のノズル５１、６１を備える。上部チャンバー４１に取り付けられたノズル部５０は、下側に向けられた開口５１ａが先端に形成された８つのノズル５１を有する。下部チャンバー４２に取り付けられたノズル部６０は、上側に向けられた開口６１ａが先端に形成された８つのノズル６１を有する。ノズル部５０、６０の各ノズルは、Ｙ軸方向に等間隔にノズルが４つ並んだ二列のノズル列５２、５３、及びノズル列６２、６３を形成している。なお、各ノズル部におけるノズルの数やノズル列の数は一例であり、適宜設定されてよい。
ノズル部５０、６０の複数の開口５１ａ、６１ａは、Ｘ軸方向から見たときに隣接するノズル列の開口同士が互いに重ならない位置に配置されている。
【００４０】
ノズル部５０、６０に設けられたノズル５１、６１のうち、少なくとも供給電極２２側のノズル５１は、絶縁性を有する材質で形成されており、ノズル部５０が電極部２１と電気的に絶縁されている。絶縁性材料としては、ＰＰＳ樹脂やセラミックスなどを用いることができる。
本実施形態においては、ノズル部５０、６０のそれぞれのノズル５１、６１が絶縁性材料で形成され、ノズル部５０、６０の両方が電極部２１と絶縁されている。
【００４１】
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、上記のような構造の急冷手段４０においては、チャンバーユニット４３のノズル５１、６１の開口５１ａ、６１ａから排出された冷却媒体としての空気５は、ガラス板Ｇの両方の表面Ｇａに吹き付けられ、表面Ｇａを冷却する。吹き付けられた空気５は、ガラス板Ｇから熱を奪いながら表面Ｇａに沿って移動し、列設されたチャンバーユニット４３の間等から排出される。
このとき、図５（Ｂ）に一部拡大して示すように、隣接するノズル列の開口５１ａ、６１ａがＸ方向から見てお互いに重ならないように配置されているため、開口５１ａ（及び６１ａ）から排出されてＸ軸に平行に進む空気５同士が衝突して流速が落ちたり、滞留したりすることを防止でき、冷却効率を高めることができる。
【００４２】
次に、本実施形態のガラス板の強化方法（以下、単に「強化方法」と称する。）について、図６ないし図８を参照して説明する。なお、以下の説明における温度条件等は、ガラス板Ｇとしてソーダライムガラス（軟化点７３０℃、強化点６５７℃、徐冷点５５０℃、歪点５２０℃、厚さ２．８ｍｍ）を用いた場合の例である。
図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）、及び図６（Ｄ）は、一般的なガラス板の強化方法においてガラス板Ｇに生じる応力を示す縦断面模式図である。また、図７は、本実施形態の強化方法の工程を説明するための工程説明図である。なお、図６において、図の中央を示す一点鎖線へ向かう矢印は圧縮応力、逆向きの矢印は引張応力を示し、バツ印を付加した破線は緩和した応力を示す。
【００４３】
まず、本実施形態の強化方法においてガラス板を強化するメカニズムについて図６（Ａ）から図６（Ｄ）を参照して説明する。
【００４４】
まず、ガラス板Ｇを均一に加熱する。すると、ガラス板Ｇは一様に膨張されるので、ガラス板Ｇの板厚方向（図における上下方向）の両側の表面Ｇａとガラス板Ｇの板厚方向の中心部Ｇｂとの間では圧縮応力あるいは引っ張り応力は発生しない（図６（Ａ）参照）。
【００４５】
次に、図６（Ｂ）に示すように、ガラス板Ｇの表面Ｇａを冷却する。このとき、ガラス板Ｇの表面Ｇａの位置Ｐ１において、表面Ｇａが冷却されることで収縮しようとするが、中心部Ｇｂはまだ冷却されていないため収縮しないので、表面Ｇａと中心部Ｇｂの膨張率の差によって表面Ｇａには引っ張り応力が発生する。一方で、ガラス板Ｇの中心部Ｇｂは、ガラス板Ｇの中心部Ｇｂの位置Ｐ２において表面Ｇａが膨張しないので、中心部Ｇｂには圧縮応力が発生する。
【００４６】
次に、上述のように、ガラス板Ｇの表面Ｇａと中心部Ｇｂとの間に温度差を生じさせたまま、ガラス板Ｇを歪点以上の温度の状態を維持すると、図６（Ｃ）に示すように、ガラス板Ｇの表面Ｇａと中心部Ｇｂとに温度差が生じたままの状態で発生した応力は緩和される（応力緩和）。
【００４７】
最後に、応力緩和されたガラス板Ｇを板厚方向の両方の表面に冷却媒体を吹き付けて急冷して強化する。常温まで急冷されたガラス板Ｇは、より温度の高い中心部Ｇｂが表面Ｇａよりも収縮が大きくなり永久歪みが残る。その結果、図６（Ｂ）に示す圧縮応力と引っ張り応力との関係は、図６（Ｄ）に示すように逆転し、ガラス板Ｇの表面Ｇａに圧縮応力、中心部Ｇｂに引っ張り応力が残留し、物理的に強化された強化ガラス板Ｇ１を得る。
【００４８】
続いて、本実施形態の強化方法の各工程について説明する。
図７は、本強化方法の工程を示す工程説明図で、横軸は時間を示し、縦軸はガラス板Ｇの温度を示す。また、ガラス板Ｇの表面Ｇａ及び中心部Ｇｂの温度を併せて図７に示す。
図７に示すように、本強化方法は、加熱工程と、急冷前工程、急冷工程と、少なくとも前記急冷工程中にガラス板の板厚方向中心部近傍を表面に対して選択的に加熱する内部加熱副工程とを備えている。
【００４９】
図７において、縦軸はガラス板の温度、横軸は時間を示し、２本の実線は上側がガラス板の中心部の温度、下側がガラス板の表面温度を示す。また、時間ｔ０は、加熱工程を開始した時間である。また、時間ｔ１は、急冷前工程を開始した時間、時間ｔ２は高周波などでガラス板の内部から加熱を開始した時間、時間ｔ３は、ガラス板の内部から加熱を終了した時間、時間ｔ４は、急冷工程を開始した時間、である。図７に示した実施形態では時間ｔ３と時間ｔ４はほぼ同時、すなわち、内部加熱副工程の開始時点が急冷開始時点とほぼ同時である。
【００５０】
まず、加熱工程では、ガラス板Ｇを軟化点近くの温度（所定の加熱炉引き出し口付近での温度Ｔ５）まで加熱する。具体的には、軟化点よりも低く、かつ徐冷点より高い温度まで加熱炉１６を用いてガラス板Ｇを加熱する。例えばソーダライムガラスの場合には、ガラス板Ｇを６５０℃まで加熱する。
【００５１】
続く急冷工程では、ガラス板Ｇの板厚方向の両方の表面Ｇａに冷却媒体が吹き付けられて冷却される。その結果、例えば時間ｔ２において、ガラス板Ｇの中心部Ｇｂの温度は所定の引き出し温度Ｔ５よりも低い温度Ｔ３まで冷却される。同時に、ガラス板Ｇの表面Ｇａの温度はガラス板Ｇの中心部Ｇｂの温度よりさらに低い温度Ｔ２まで冷却され、ガラス板Ｇの表面Ｇａと中心部Ｇｂとの間に温度差が生じる。
【００５２】
続いて、時間ｔ２から時間ｔ３の間の内部加熱副工程では、上述のように冷却媒体を用いた冷却が継続されつつ、ガラス板Ｇの内部からの発熱によりガラス板Ｇが加熱される。内部加熱副工程を行うことにより、時間ｔ３におけるガラス板Ｇの表面Ｇａと中心部Ｇｂとの温度差は、内部加熱副工程を開始した時間ｔ２における温度差よりも大きくなる。これにより、時間ｔ２以降の少なくとも一時点において、従来の強化方法ではほぼ実現不可能な温度差がガラス板Ｇに生じる。例えば、時間ｔ３において、ガラス板Ｇの板厚方向の中心部Ｇｂの温度Ｔ４が強化点近傍であり、かつ板厚方向の表面Ｇａの温度Ｔ１を徐冷点以下である状態とすることも可能である。ここでは、時間ｔ３においてガラス板の中心部の温度と表面温度の温度差が最大になる例を示したが、温度差が最大になる時点は時間ｔ３のみに限定されず、冷却能力、ガラス板の熱伝導率などにより時間ｔ３の前後に適宜変化してもよい。また、内部加熱副工程においてガラス板の中心部の温度は上昇してもよく、中心部の温度を維持、又は温度低下速度を軽減するだけでも表面温度の温度差が十分得られれば本発明の効果をなんら損するものではない。
時間ｔ３以降、内部からの加熱を伴わない急冷工程が継続され、ガラス板全体が常温まで冷却強化されたところで本強化方法は終了する。
【００５３】
内部加熱副工程におけるガラス板Ｇを内部からの発熱により加熱する方法としては、例えば高周波加熱や、短波長赤外線を用いた加熱が挙げられる。このうち高周波加熱については、温度が高いガラス板は温度が低いガラス板よりも誘電体損失が大きくなるためより多く発熱するという特性を有する。したがって、急冷工程における時間ｔ２のように、ガラス板Ｇの表面Ｇａと中心部Ｇｂとの間に温度差が生じて中心部Ｇｂの方が表面Ｇａよりも高温であるときには、中心部Ｇｂの方が表面Ｇａよりも加熱されやすいため、表面Ｇａと中心部Ｇｂとの間により大きい温度差を生じさせることができるという利点がある。
なお、短波長赤外線を用いた加熱の詳細については後述する。
【００５４】
本実施形態の強化方法によれば、急冷工程中に内部加熱副工程が行われることにより、ガラス板Ｇの表面Ｇａと中心部Ｇｂとの間の温度差をより大きくできる。これにより、応力緩和を経て常温になったガラス板の表面の圧縮応力をより大きくできるので、強度がより高められたガラス板を製造することができる。さらに、従来では強化することが難しかった板厚の薄いガラス板や熱伝導率の高いガラス板を強化することが可能になる。また、このとき車両用の安全ガラス板として好適な破砕時の細片を実現する。
【００５５】
また、急冷前工程でガラス板Ｇが所定時間冷却された後に内部加熱副工程が行われるため、加熱工程での引き出し温度を下げることが可能になる。その結果、引き出し時のガラスの粘性が下がりすぎないので、ガラス板Ｇの歪みを減少させ、表面品質を向上させることができる。
また、急冷工程の開始タイミングを遅らせることができるため、ガラス板表面の冷却による初期引っ張り応力による割れを防止できる。
【００５６】
また、上述した本実施形態の強化装置１によれば、加熱手段１５が加熱炉１６と高周波加熱手段２０とを備えているため、本発明の強化方法における加熱工程及び内部加熱副工程を好適に実行することができる。
【００５７】
また、電極部２１と、ノズル部５０、６０及び搬送手段１０の搬送ロール１３とが電気的に絶縁されているので、一対の電極面２２ａ、２８ａの間の距離よりも近い距離には導体が露出されておらず、電極部２１から放電が起こる可能性が低減される。その結果、一対の電極面２２ａ、２８ａの間における電界強度を高めるために高周波電圧をより高めることができる。これにより、放電を防ぎつつガラス板Ｇを内部からの発熱を用いてより効率的に所望の温度まで加熱できる。
【００５８】
また、ノズル部５０、６０及び搬送ロール１３の表面部１３ｂが絶縁体からなるため、電極部２１とノズル部５０、６０及び搬送ロール１３とをより近接して配置することができる。その結果、加熱効率および冷却効率をさらに高めて内部加熱副工程を好適に実行することができる。
【００５９】
また、ノズル部５０、６０においては、Ｘ軸方向において電極部２１が間に位置するようにノズル列５２、５３、６２、６３が配置され、ノズル５１、６１の開口５１ａ、６１ａを搬送方向（Ｘ軸方向）から見たときに隣接する開口５１ａ、６１ａは、互いに重ならない位置に配置されている。このため、ノズル５１、６１の開口５１ａ、６１ａから排出された空気５は、相互に干渉、衝突して滞留し難くなり速やかに排出される。その結果、ガラス板Ｇの表面Ｇａにおける空気５の流速を高めることができ、ガラス板の表面をすばやく冷却することができる。
【００６０】
さらに、電極配線２９が、電源部３５から各給電部２４ａまでの距離が略等距離になるように、電源部３５と各給電部２４ａとを接続しているので、電極本体２５において均等に電圧を印加することができる。このため、電極面２２ａ、２８ａによって規定される空間における電界の強度が偏ることを軽減できる。
【００６１】
なお、本実施形態の強化方法について、上述の図７の説明では、急冷工程中に内部加熱副工程が行われるという形で説明したが、時間ｔ１と時間ｔ２との間が、加熱されたガラス板を、予備的な冷却手段などを用いて冷却する急冷前工程であり、時間ｔ２と時間ｔ３との間がガラス板の板厚方向中心部近傍を表面に対して選択的に加熱する内部加熱工程であり、時間ｔ３以降を、内部加熱工程の後に前記ガラス板を急冷する急冷工程であると捉えることも可能である。このように捉えても本発明の強化方法の作用効果が何ら変化するものではない。
【００６２】
図７の態様においては内部加熱工程において、ガラス板内部からの加熱開始と同時に急冷手段によってガラス板の急冷を開始している例を示した。しかし、内部加熱の開始時点は急冷前工程の途中にあってもよく、急冷開始後にあってもよい。図８は、図７と同様の本強化方法の工程を示す工程説明図であり、内部加熱の開始時点が急冷前工程の途中にある場合を示す。図９も同様に本強化方法の工程を示す工程説明図であり、内部加熱の開始時点が急冷開始後（すなわち、急冷工程の途中）にある場合を示す。
また、図８に示すように、内部加熱副工程の時間ｔ２と時間ｔ３との間におけるガラス板の板厚方向の中心部の温度と表面の温度は、必ずしも上昇する必要はなく、図８のＴ３（Ｔ４）のようにほぼ同じ温度に維持されてもよい。また、内部加熱副工程は、ｔ4より前の急冷前工程で開始されてもよい。さらに、図９に示すように、Ｔ４からＴ３のように、内部加熱副工程中においてガラス板の温度は、特に、ガラス板中心部の温度は徐々に低下してもよい。
【００６３】
本発明において、急冷工程とは前記急冷のために冷却媒体を吹き付ける時点より始まり、該冷却媒体の吹き付けを終了するまでの工程をいう。加熱工程とはガラス板を急冷により強化することのできる温度まで加熱する工程をいう。急冷前工程とはガラス板が加熱工程終了時点から急冷工程における冷却媒体を吹き付ける時点までの段階をいう。
急冷前工程以降ガラス板の表面温度は低下し、ガラス板の表面温度は急冷前工程が始まる時点でそれ以降の工程（急冷工程を含む）における最高温度を示す。急冷前工程においてガラス板の温度を維持するためまたはガラス板の温度低下の速度を遅くするために、ガラス板を加熱してもよい。しかし、急冷前工程においてガラス板の表面温度が上昇することはないものとする。
急冷前工程において加熱されたガラス板に曲げ成形等の成形が施されてもよいが、その場合もガラス板の表面温度が上昇することはないものとする。加熱炉を出たガラス板が再度加熱されて表面温度が上昇する場合、その再度の加熱を行う工程は本発明における加熱工程とみなす。例えば、加熱されたガラス板が成形され、その後強化のために必要な温度にまで再度加熱される場合は、その成形後にガラス板を加熱する工程を本発明における加熱工程とみなす。
【００６４】
本発明における内部加熱（工程）は、急冷前工程の途中から急冷工程の途中までの間に開始され、急冷工程の途中で終了する。急冷前工程の途中とは、ガラス板の内部と表面の間に温度差が生じ、選択的な内部加熱が可能となった時点以降を意味する。内部加熱は急冷と同時に開始してもよく、急冷開始後に開始してもよい。少なくとも急冷開始後はガラス板の内部と表面の間に温度差が生じ、選択的な内部加熱が可能である。通常の場合、能動的な放冷を実施しなくても急冷前工程の放冷により急冷開始時点で選択的な内部加熱が可能である。その場合、可能であればさらに急冷開始時点前に内部加熱を開始することもできる。急冷開始時点でガラス板の内部と表面との間に充分な温度差が生じない場合は、急冷前工程で能動的な放冷を行うことが好ましい。また、急冷前工程で能動的な放冷を行う場合、可能であれば急冷開始時点前に内部加熱を開始することもできる。
内部加熱の終了は急冷工程の途中の時点であり、このことは、本発明において内部加熱は、その開始時点に係わらず、少なくとも急冷中に行われることを意味する。
【００６５】
内部加熱のない急冷において、ガラス板の表面温度は、当初表面温度と冷却媒体の温度との差が大きいことより急速に低下し、その後表面温度が低下するに従い表面温度と冷却媒体の温度との差が小さくなり温度低下の速度が低下していく。一方、ガラス板の内部温度は、内部から表面への熱伝導率が低いことより、内部温度の温度低下の速度が小さく、急冷当初は内部温度と表面温度の差が時間とともに拡大する。しかし、その後表面温度の低下速度が低下して、その表面温度の低下速度と内部から表面への熱伝導による内部温度の低下速度との差が小さくなり、表面温度と内部温度の差が時間とともに縮小していく。表面温度と内部温度の差が最大となる時点は急冷工程中にあり、その差が最大となる時点とガラスの強化点、徐冷点、歪点との関係が、ガラス板の強化が生じる要因となる。
【００６６】
急冷の際に内部加熱を行う本発明においては、内部加熱されている最中であっても急冷中のガラス板の表面温度は低下する。内部加熱がない場合に比較して、急冷中に内部加熱されているガラス板の表面温度の低下速度が遅くなることはあっても、表面温度が変化しないないしは上昇するということはない。一方、前記のように、その際の内部温度は、内部加熱がない場合に比較して、温度低下の速度が低下し、また温度が維持される場合や温度が上昇する場合もある。内部温度の温度低下の速度が低下する場合であっても、表面温度の低下速度に比較すればその低下速度は遅い。したがって、内部加熱により、急冷中のガラス板の表面温度と内部温度との差の最大値は、内部加熱がない場合に比較して大きくなる。これにより、強化するための冷却能を大きくすることなく、また、強化のためにガラス板を高い温度に加熱することなく、効率的に強化を行うことが可能となる。また、従来は強化が困難であった薄いガラス板や熱伝導率の高いガラスからなるガラス板の強化を容易に行うことができる。
【００６７】
内部加熱副工程では、冷却されつつあるガラス板の内部が選択的に加熱されている場合、内部の温度は、上昇しても、低下しても、維持されていてもよい。冷却により内部から持ち出される単位時間当たりの熱エネルギーを−Ｅc、加熱により内部に加えられる単位時間当たりの熱エネルギーを＋Ｅsとすると（仮に表面部分には熱エネルギーが加わらないとする）、（−Ｅc＋Ｅs）の値が負であれば内部の温度は低下する（ただし、＋Ｅs＝０の場合よりも温度低下速度は小さい）。（−Ｅc＋Ｅs）の値が０であれば内部の温度は維持され、正であれば内部の温度は上昇する。
上記−Ｅcは高温の内部から低温の表面に熱伝導で持ち出される熱エネルギーであり、内部と表面の温度差が大きいほど多くの熱エネルギーが持ち出される。＋Ｅsは電磁波により加えられるエネルギーに由来し、たとえ電磁波エネルギーが一定であっても内部温度が高いほどより多く吸収されることより＋Ｅsの値は大きくなり、逆に、内部温度が低下すると＋Ｅsの値は小さくなる。このように、−Ｅcと＋Ｅsの値はいずれも内部と表面の温度変化により変化することより、（−Ｅc＋Ｅs）の値は通常一定ではない。
【００６８】
以上のように本発明の強化方法において、ガラスの軟化点近くの温度まで加熱されたガラス板が冷却される過程で、エネルギーを印加し温度低下を抑制することで内部温度を維持することや、内部温度の温度低下の速度を小さくする態様を含む。このようなガラス板の中心部の温度が上昇しない態様においても、ガラス板の表面と中心部との間により大きい温度差を生じさせるとの本発明の効果は前述の態様と同様に達成される。
また、加熱手段に前述の高周波加熱を用いた場合は中心部Ｇｂの方が表面Ｇａよりも加熱されやすいという特性により、内部加熱副工程において温度の高い部位がより高効率で加熱されさらにガラス板厚方向での温度差が大きくなるという効果も同様に得ることができる。
なお、本発明における急冷前工程では予備的な冷却手段等を用いて能動的にガラス板を冷却してもよく、放冷時間を設けるなど受動的かつ意図的な冷却を含んでもよい。さらに、搬送中などに生じる不可避で受動的な温度低下を利用してもよい。
【００６９】
本発明の強化方法では、ガラス板の板厚方向の中心部の温度が強化点近傍のとき、ガラス板の板厚方向の中心部の温度と表面の温度の差が１００℃以上、さらに好ましくは１５０℃以上であれば、あるいは、ガラス板の板厚方向の表面の温度が歪点−２０℃以下であれば、さらに大きい温度差を生じさせることができ、より板厚の薄いガラス板や熱伝導率の高いガラス板を強化することが可能になる。また、前述の温度差が１００℃以下であっても他の強化方法と組み合わせることで所望の効果を得ることも可能である。
高周波誘電加熱を開始する際のガラス板の中心部の温度は強化点近傍であることが望ましい。強化点近傍とはガラス板のｌｏｇηの値が９．４±１．２［Ｌｏｇ  Ｐｏｉｓｅ］となる温度が好ましく、ｌｏｇηの値が９．４±０．８［Ｌｏｇ  Ｐｏｉｓｅ］がさらに好ましい。前述の範囲よりｌｏｇηの値が小さいとガラスが柔らかくなり、形状の保持が難しくなったり、歪が残ったりする。ｌｏｇηの値が大きいとガラスが固くなり、初期冷却の一時ひずみで割れやすくなったり、強化ガラスに入る残留応力が小さくなったりする。
以下、本発明の強化方法において、ガラス板の表面の温度と中心部の温度との最適な関係について説明する。
【００７０】
図１０は、ガラス板を強化するために最適な温度の関係を示すグラフである。
図１０に示すように、本実施形態の強化方法では、ガラス板の表面と中心部の温度差の最大になったときの温度が、一次式ｙ＝ａｘ＋ｂ（ｘは中心部の温度、ｙは表面の温度、ａ、ｂは定数）を満たしていることが好ましい。
上記定数ａの値は０．５〜０．６５が好ましく、０．５近傍がさらに好ましい。また、上記定数ｂの値は６０〜１８０が好ましい。
【００７１】
なお、ガラス板を強化するときの温度について、例えば図１０に示すように、中心部の温度は、最小値ＴＣから最大値ＴＤまでの間がさらに好ましい。この場合、点ＰＥ、ＰＦ、ＰＧ、ＰＨで囲まれた領域Ａ２にガラス板の中心部温度と表面温度の組み合わせを示す点Ｐｂが収まっていればよい。このときのＴＣは６２０℃以上、ＴＤは７００℃以下が好ましく、さらに、ＰＧを定める表面温度ＴＢは４９０℃以下であることがさらに好ましい。
以上のように、本発明の急冷工程において必要なガラス板の板厚方向中心部近傍の温度及び表面の温度の組み合わせ条件および温度差を求めることができる。例えば、自動車などに用いられる車両用安全ガラスに用いられるソーダライムガラスでは、ガラス板の板厚方向中心部近傍の温度が強化点近傍のときのガラス板の表面温度は徐冷点以下が好ましく、４９０℃以下がさらに好ましい。
【００７２】
次に、本発明の強化方法の妥当性を検証するため、コンピュータシミュレーションを行ったので、その詳細について説明する。本シミュレーションは、板厚２．０〜２．８ｍｍのガラス板に対して一般的な風冷処理を施すとともに、ガラス板が所定の表面温度と中心温度になったときに高周波加熱を併用して加熱したものであり、少なくとも表面温度が軟化点以下で、中心部の温度強化点近傍となるように加熱した。
シミュレーションの条件は、加熱炉からガラス板を取り出し後の高周波加熱開始までの時間は例１〜３でそれぞれ、３．４秒、４．６秒、５．３秒であり、急冷開始までの時間はいずれも２秒である。また、高周波加熱の印加時間は２秒、急冷時間は９８秒とする。このときの結果を表１に示す。
【００７３】
【表１】
2011122678.tif 000003
【００７４】
一方、上記の強化ガラス製造のシミュレーションの手法は、ナラヤナスワミー（Narayanaswamy O. S., Journal of the American Ceramics Society, Vol.61, No.3-4 (1978), 146-152.）が提案したシミュレーション技術に基づいている。ナラヤナスワミーが提案したガラス板強化シミュレーションは、図１１に示すように、ガラス板の板厚、初期温度、冷却の強さ、ガラス板の熱物性値および粘弾性物性値を入力条件とし（ステップＳ１）、冷却中のガラス板の板厚方向の温度分布および熱粘弾性応力分布の時間変化を計算し（ステップＳ２、Ｓ３）、最終的にガラス板が固化した後に得られる強化ガラス板の板厚方向残留応力分布を求める（ステップＳ４、Ｓ５）手法である。なお、本実施例においては、ステップＳ２において、高周波加熱の影響を考慮した上で、ナラヤナスワミーの手法に基づいて下記温度計算式から板厚方向のガラス板の温度分布を計算している。計算方法には差分法を使用している。また、計算領域は１次元空間である。
【００７５】
〔温度計算式〕
【００７６】
【数１】
2011122678.tif 000004
【００７７】
ここでρ、ＣＰ、λはそれぞれガラス板の密度、比熱、熱伝導率でＴはガラス板の温度、ｔ、ｘはそれぞれ時間および板厚方向の座標を示している。この温度計算式中のＱが高周波加熱による単位体積、単位時間あたり発熱量を表しており、次式から得られる単位体積あたり熱となって消費される電力Ｐから求められる。
【００７８】
〔高周波誘電加熱式〕
【００７９】
【数２】
2011122678.tif 000005
【００８０】
ここでεｒ、tanδはそれぞれガラス板の誘電率および誘電体損失角である。ステップＳ３のガラス熱粘弾性応力計算、およびステップＳ５の板厚方向残留応力分布計算では、ナラヤナスワミーの手法に基づいて、以下の一連の方程式群を解くことにより熱粘弾性応力を算出している。
【００８１】
〔仮想温度計算式〕
【００８２】
【数３】
2011122678.tif 000006
【００８３】
式中の仮想温度Ｔｆはガラスの分子構造を表現するパラメータであり、ＭＶは構造が緩和する挙動を表現する関数で、ξは換算時間である。換算時間は次式で計算される。
【００８４】
〔換算時間計算式〕
【００８５】
【数４】
2011122678.tif 000007
【００８６】
ここでτは緩和時間でτrefは代表温度における緩和時間を意味する。以上の式から得られた値に基づいて、冷却中のガラス板における板厚方向熱粘弾性応力σは次式から計算される。
【００８７】
〔熱粘弾性応力計算式〕
【００８８】
【数５】
2011122678.tif 000008
【００８９】
ここでＲは等方応力の緩和、Ｅおよびνはガラスのヤング率およびポアソン比、β１およびβｓは液体状態のガラスの線膨張係数および固化したガラスの線膨張係数をそれぞれ表している。
なお、表１の温度は、冷却と高周波加熱を適用した際に表面温度と中心部の温度の差がほぼ最大になった時点での値を意味し、図９に示すように表面温度と中心部の温度は、それぞれ表面温度と中心部の温度の差が最大になったときのガラス板の表面温度と中心部の温度をそれぞれ意味している。表面応力は、強化終了後のガラス板表面の圧縮応力値で１００ＭＰａ以上であれば十分な強化度が得られた（表１において「強化ＯＫ」と表示）と判断している。
【００９０】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述の実施形態では、ガラス板としてソーダライムガラスを用いた例を示した。ソーダライムＮａ、Ｌｉ、Ｋなどのアルカリ成分が増えると誘電体損失が増加し、高周波加熱により効率的に加熱することができる。これに限らず、例えば金属イオンを含有してなるガラス板を強化する場合にも本発明を適用することができる。ガラス板が含有する金属イオンは、Ｖ４＋、Ｆｅ２＋、Ｃｕ２＋などが好ましい。
このようなガラス板では、上述した短波長赤外線を用いて内部加熱を行なってもよい。なお、本願でいう短波長赤外線とは、近赤外線とも呼ばれ、およそ０．７〜２．５μｍの可視光（赤）に近い電磁波をさし、ガラス板の加熱には特に１．２μｍ程度の波長が好ましい。ガラス板に含有される金属イオンは短波長赤外線の波長により適宜選択可能であり、このときそれぞれＶ４＋は１．１μｍ、Ｆｅ２＋は１．０μｍ、Ｃｕ２＋は０．８μｍの波長を吸収する。
【００９１】
また、上述の実施形態では、少なくとも搬送ロール１３の表面部１３ｂとノズル部５０、６０を絶縁体によって形成することによって電極部２１に対して電気的に絶縁していたが、放電を抑制するための構成はこれに限定されない。
例えば、ノズル部５０等の電極部周辺の部材が導体で形成される場合、ノズル部５０と電極部２１との間の最短距離を、供給電極２２と受動電極２８との間の最短距離（すなわち図３に示す電極面２２ａと電極面２８ａとの間の距離ｄ１）よりも長くすることにより電気的絶縁が行われてもよい。電極に最も近接して配置された導体との距離が、電極の距離よりも長いことにより、不要の放電を低減できるためである。電極部周辺の部材と電極部との間の最短距離が長いほど放電を起こしにくく、電極間距離の３倍以上であれば電極部周辺の部材を絶縁体としなくても放電を好適に抑制することができる。したがって、強化装置１の場合であれば、供給電極２２の電極面２２ａから距離ｄ１の３倍を半径とする範囲に導体からなる部品や部材を配置しなければよい。
また、上述の実施形態では、高周波加熱手段２０の電極として供給電極と受動電極を備える高周波加熱手段の例を示したが、高周波加熱手段２０の構成はこれに限定されず、他の公知の電極及び電源等の加熱手段の構成を採用することができる。
【００９２】
また、上述の実施形態では、強化装置１は加熱炉１６を備える例を説明したが、強化装置１は加熱炉１６などの予熱手段を備えていなくてもよい。この場合、高周波加熱手段２０によってガラス板を加熱することができるので、高周波加熱手段２０で加熱工程を行うことにより、上述の強化装置１と同様の効果を奏することができる。
【００９３】
また、上述の実施形態では、搬送ロール１３のうち表面部１３ｂが絶縁性を有する材質である例を示したが、これに限らず、搬送ロール１３全体が絶縁性を有する材質で形成されても構わない。
【００９４】
また、上述の実施形態の急冷手段では冷却媒体の例としてブロアなどにより排出される空気が用いられる例について説明したが、より圧力を高めた圧縮空気を用いて冷却をおこなってもよい。また、冷却媒体は空気に限られるものではない。すなわち、冷却手段４０には、公知の冷却手段を適用することができ、例えば、冷却媒体は流体であればよく、液体、気体、あるいは液体と気体との混合物、などを適宜採用することができる。また、冷却媒体の組成についても特に限定されるものではなく、空気以外にも、窒素、二酸化炭素、などを用いることができる。
また、急冷手段は、その冷却能力を小さく調節することでゆっくり熱を除去する通常の冷却や徐冷を行うための冷却手段として用いることも可能である。
【００９５】
また、上述の実施形態では、ガラス板を平板な板状のまま特に曲げ加工などせずに強化する例を示したが、本発明の強化方法はこれに限らず、例えばガラス板を強化する前にガラス板に対して曲げ加工などを施す成形工程を備えてもよい。
この場合、成形工程は、ガラス板の軟化点近くの温度にガラス板を加熱してガラス板を軟化させ、このガラス板を所定の形状の成形型に沿わせることで成形型の形状をガラス板にプレスし、プレスされたガラス板を軟化点以下で且つ徐冷点以上の温度まで冷却する工程であってもよい。これにより、本発明のガラス板の強化方法は、平板なガラス板ばかりでなく湾曲形状の車両用安全ガラス板にも適用することができる。これにより、少ないエネルギーで効率よく所望の車両用安全ガラス板を提供することができる。
【００９６】
また、本発明はガラス板の表面と中心部の温度差を大きくすることが可能となるためより板厚の薄いガラス板を好適に強化することができ、このように強化されたガラス板は、車両窓用安全ガラス板として好適に用いることができる。
例えば、本発明の強化方法及び強化装置によれば、板厚が２．８ｍｍ以下のガラス板を効率よく強化することができる。本発明で強化されたガラス板の板厚が２．５ｍｍまでのガラス板であれば、従来の成形方法で容易に生産できるため、既存の生産設備への適用が容易で効率的に板厚の薄い強化ガラス板の生産ができ、２．８ｍｍ以上の板厚のガラス板であればより既存の生産設備への適用性が高まる。
また、本発明により２．５ｍｍ以下、あるいは２．０ｍｍ以下の強化ガラス板の生産が可能になり、これまで強化に必要なガラス板の中心部と表面の温度差をつけることができず生産が難しかった板厚の薄い車両窓用安全ガラス板の生産を実現する。その結果、自動車など車両の軽量化に寄与し、車両の燃費が向上する。
また、ガラス板の板厚を薄くすることでガラス板の生産に必要な原料も減少するため、ガラス板生産時に必要なエネルギーも節約でき環境にやさしい強化ガラス板の提供が可能になる。
また、本発明は、車両窓用安全ガラス板のみに限定されず、建築用、ディブプレイ用などの分野に適用すれば、従来よりも薄い強化ガラスや割れ難いガラス板を提供することができる。
なお、２０１０年３月３０日に出願された日本特許出願２０１０−０７９６６４号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
【符号の説明】
【００９７】
１  ガラス板の強化装置
５  空気（冷却媒体）
１０  搬送手段
１３  搬送ロール（支持体）
１５  加熱手段
２１  電極部
２２  供給電極
２４ａ  給電部
２８  受動電極
２９  電極配線
３５  電源部
４０  急冷手段
４３  チャンバーユニット（排出手段）
５０、６０  ノズル部
５１、６１  ノズル
５１ａ、６１ａ  開口
Ｇ  ガラス板
Ｇａ  表面
Ｇｂ  中心部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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